Vierte Reinigungsstufe zur Spurenstoffelimination
Abbildung 1: Kläranlage Langen
In Gewässern sind heutzutage mithilfe von moderner Messtechnik eine Vielzahl an vom Menschen künstlich hergestellten (anthropogenen) Substanzen, wie beispielsweise Rückstände von Arzneimitteln oder Kosmetika, nachweisbar. Auch wenn diese sogenannten Spurenstoffe nur in geringen Konzentrationen (im Bereich von Nano- bis Mikrogramm pro Liter) vorliegen, haben diverse Untersuchungen gezeigt, dass aufgrund der ökotoxikologischen Wirkungen - also der Wirkungen von Stoffen auf die belebte Umwelt - dennoch negative Effekte auf die aquatische Umwelt auftreten können. Dadurch ist auch das Ziel der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie, in den Oberflächengewässern einen guten chemischen und ökologischen Zustand herzustellen, deutlich schwieriger zu erreichen.
Es existieren verschiedene punktuelle und diffuse Eintragspfade von anthropogenen Spurenstoffen in die Gewässer. Punktuelle Einträge stammen meist aus der Siedlungsentwässerung (z. B. aus Kläranlagen oder Kanalisationseinleitungen) und besitzen klar definierte Einleitungsstellen. Sie sind in ihrer Menge und Zusammensetzung gut zu erfassen. Die diffusen Einträge gelangen hingegen durch Abschwemmungen aus der Fläche des Einzugsgebietes, über das Grundwasser, die Niederschläge oder über die Luft (atmosphärische Deposition) in die Gewässer. Diffuse Einträge sind somit wesentlich schwieriger zu erfassen als punktuelle Einträge.
Als ein Hauptemittent für den Eintrag von Spurenstoffen in die Gewässer gelten jedoch kommunale Kläranlagen, da Spurenstoffe mit den konventionellen Reinigungsverfahren nur unzureichend oder gar nicht eliminiert werden können. Aus diesem Grund sollen ausgewählte kommunale Kläranlagen in Hessen mit der sogenannten 4. Reinigungsstufe, mit der auch Spurenstoffe zu hohen Anteilen entfernt werden können, ausgerüstet werden.
Der Ausbau der Kläranlagen mit dieser weiteren Reinigungsstufe soll insbesondere an besonders sensiblen Gewässern, also beispielsweise an Gewässern, die einen hohen Abwasseranteil oder eine besondere Schutzbedürftigkeit aufweisen (z. B. Lage in einem Trinkwasserschutzgebiet), erfolgen. Da mit dem Ausbau an größeren Kläranlagen (Größenklasse 4-5) der größte Effekt auf die aquatische Umwelt erzielt wird und das Kosten-Nutzen-Verhältnis am günstigsten ist, werden entsprechende Kläranlagen priorisiert.
Verfahren
Es existieren verschiedene Verfahren zur Entfernung von Spurenstoffen in kommunalen Kläranlagen, die sich in anderen Bundesländern (insbesondere Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen) sowie der Schweiz bereits bewährt haben. So wird zwischen adsorptiven und oxidativen Verfahren unterschieden.
Mit adsorptiven Verfahren werden die aus dem Abwasser zu entfernenden Substanzen an die Oberfläche eines Festkörpers (Adsorbens) angelagert. Als Adsorbens kommt dabei Aktivkohle zum Einsatz, da sie eine sehr hohe spezifische Oberfläche aufweist und Spurenstoffe somit gut daran adsorbieren können. Es kann sowohl Pulveraktivkohle (PAK) als auch granulierte Aktivkohle (GAK) eingesetzt werden. Nach Beladung der Aktivkohle mit den Substanzen muss sie entweder reaktiviert oder ausgetauscht/erneuert werden, damit eine kontinuierliche Entfernung der Spurenstoffe sichergestellt wird.
Bei oxidativen Verfahren werden die Spurenstoffe mithilfe eines Oxidationsmittels (zumeist Ozon) chemisch verändert. Durch die Oxidation entstehen neue Substanzen und Transformationsprodukte mit anderen Eigenschaften und möglicherweise anderen toxikologischen Wirkungen. Die Spurenstoffe sollen bei der Ozonung soweit verändert werden, dass die entstandenen Produkte keine umweltschädliche Wirkung mehr aufweisen. Da die Ökotoxizität der neu entstandenen Substanzen jedoch oft nicht vollends bekannt ist, wird nach oxidativen Verfahren eine nachgeschaltete, biologisch aktive Stufe empfohlen, sodass diese ebenso eliminiert werden.
Einen Überblick über die verschiedenen Verfahren, die in Kläranlagen zur Spurenstoffelimination zur Anwendung kommen können, gibt Abbildung 2.
Die Verfahren bzw. die Verfahrenskombinationen besitzen jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile und werden - zumeist im Rahmen einer Machbarkeitsstudie - je nach lokaler Gegebenheit, Abwasserbeschaffenheit, Zielsetzung und weiteren Faktoren ausgewählt.
Abbildung 2: Übersicht über verschiedene Verfahren der Spurenstoffelimination
Eliminationsleistungen
Die Eliminationsleistungen der 4. Reinigungsstufe in Kläranlagen sind bei den anthropogen bedingten Spurenstoffen sehr unterschiedlich, da jede Substanz andere Eigenschaften aufweist und zudem die differenten Verfahren der Spurenstoffelimination jeweils unterschiedlich effizient wirken. Generell werden mithilfe einer 4. Reinigungsstufe jedoch deutliche Verbesserungen für den Eintrag von Spurenstoffen in die Gewässer erzielt. Diese Tatsache wird in Abbildung 3 deutlich, in der die Eliminationsleistungen von fünf Kläranlagen vor und nach Erweiterung einer Adsorptionsstufe mit Pulveraktivkohle dargestellt sind. Es zeigt sich, dass nach dem Ausbau ca. 60 % von 47 untersuchten Spurenstoffen mindestens zu 80 % entfernt werden konnten, während vor dem Ausbau nur ca. 25 % zu 80 % eliminiert werden konnten.
Vergleichbare Ergebnisse wurden auch unter dem Einsatz von granulierter Aktivkohle zur Spurenstoffelimination erzielt, wie Pilotprojekte an der Kläranlage Langen im Hessischen Ried zeigten.
Abbildung 3: Eliminationsleistungen von fünf Kläranlagen vor und nach Erweiterung um das sogenannte „Ulmer Verfahren“ (Adsorptionsstufe mit PAK)
Ausblick
Die Bedeutung der Erweiterung kommunaler Kläranlagen mit einer weiteren Reinigungsstufe zur Spurenstoffelimination ist in der Fachwelt unumstritten, um die aquatische Umwelt vor derartigen Belastungen zu schützen und den guten chemischen und ökologischen Zustand in den Oberflächengewässern gemäß der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie zu erreichen.
Der schrittweise Ausbau von ausgewählten hessischen Kläranlagen mit der 4. Reinigungsstufe wird durch das HLNUG als technisch-wissenschaftliche Umweltbehörde unterstützt.
Insbesondere im Hinblick auf den demografischen Wandel und den damit zusammenhängenden erhöhten Verbrauch von Pharmazeutika sowie auf den Klimawandel, in dessen Folge ein häufiger auftretender Trockenwetterabfluss einen höheren Abwasseranteil in den Fließgewässern bedingt, steht das Land Hessen auch in Zukunft vor großen Herausforderungen. In dieser Zeit erhöhen sich dadurch die im Gewässer im Rahmen des Spurenstoffmonitorings (https://www.hlnug.de/themen/wasser/fliessgewaesser/fliessgewaesser-chemie/spurenstoffe/arzneimittel) gemessenen Konzentrationen.